關(guān)于摩擦力科學論文
由于摩擦力與人的生活息息相關(guān),所以有關(guān)摩擦力的研究和探索也一直在進行著。下面是小編為大家精心推薦的關(guān)于摩擦力科學論文,希望能夠?qū)δ兴鶐椭?/p>
關(guān)于摩擦力科學論文篇一
摩擦力研析
【摘要】在日常生活中,人們對摩擦這種現(xiàn)象并不陌生。由于摩擦力與人的生活息息相關(guān),所以有關(guān)摩擦力的研究和探索也一直在進行著。文章對常見的干摩擦與濕摩擦進行了敘述,描述了他們的基本定義。
【關(guān)鍵詞】干摩擦;濕摩擦;接觸面;高端
摩擦力是物體與物體相接觸時,在接觸面上產(chǎn)生一種阻止它們相對滑動的作用力。摩擦是一種極為普遍的力學現(xiàn)象,在人類生活、生產(chǎn)中無處不在。不僅固體與固體的接觸面上有摩擦(這類摩擦稱為干摩擦),就連固體與液體的接觸面或固體與氣體的接觸面上都有摩擦(這兩類摩擦稱為濕摩擦)。在干摩擦中,摩擦力按其性質(zhì)可分為靜摩擦力、滑動摩擦力和滾動摩擦力三種。不同性質(zhì)的摩擦力,影響其大小的因素亦不相同。
一、干摩擦力
(一)靜摩擦力
只要兩物體之間存在著相對滑動趨勢,就會出現(xiàn)摩擦力。如果滑動趨勢不太強,則由于摩擦力的作用,相對滑動不致真正實現(xiàn),這時的摩擦力稱為靜摩擦力fS??梢婌o摩擦力產(chǎn)生的原因是因為物體間有相對運動的趨勢。而相對運動趨勢產(chǎn)生的原因是有外力作用,因此,產(chǎn)生靜摩擦力的條件不僅包括接觸面不光滑、有正壓力,還需要有外力作用。靜摩擦力的大小與指向都取決于相對滑動趨勢。既然摩擦力是阻止相對滑動的作用力,靜摩擦力的指向 自然 與接觸面上相對滑動趨勢的指向相反。兩物體都受靜摩擦力的作用,其指向分別與各該物體在接觸面上的相對滑動趨勢的指向相反。靜摩擦力的大小也取決于相對滑動趨勢,沒有相對滑動趨勢,就沒有靜摩擦力,即摩擦力大小為零;一有相對滑動趨勢,靜摩擦力也隨之出現(xiàn)。在一定條件下,物體之間相對滑動趨勢一定,靜摩擦力就具有與之相應(yīng)的一定的大小,這一大小應(yīng)當恰恰足以抵消相對滑動趨勢,使相對滑動不致真正發(fā)生。因此,在具體問題中,靜摩擦力的大小往往不能預(yù)先知道,需要根據(jù)“物體之間并不真正發(fā)生相對滑動”這一條件從動力學的運動方程 計算 出來。情況一旦變了,物體之間的相對滑動趨勢變了,靜摩擦力的大小也就隨之自動調(diào)節(jié),使相對滑動總是不能真的發(fā)生。但是靜摩擦力的自動調(diào)節(jié)并不能無限度地進行,其最大限度稱為最大靜摩擦力。在不超出最大靜摩擦力的范圍時,外力越大,靜摩擦力越大。一旦超出最大靜摩擦力的范圍,物體便開始滑動,靜摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒幽Σ亮?。那么最大靜摩擦力與什么有關(guān)呢?實驗查明,最大靜摩擦力fmax與兩物體之間的正壓力N成正比,與接觸面的面積無關(guān),與接觸面的性質(zhì)有關(guān)(如接觸面的材料、接觸面的粗糙程度等)。即fmax=μSN,其中μS稱為靜摩擦因數(shù),它取決于接觸面的材料與接觸面的表面狀態(tài)等。實踐證明fS≤fmax=μSN。
(二)滑動摩擦力
當外力超出最大靜摩擦力的范圍時,物體便開始滑動,摩擦力繼續(xù)存在,只是靜摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒幽Σ亮?。物體沿著接觸面相對滑動,接觸面上阻止相對滑動的摩擦力稱為滑動摩擦力?;瑒幽Σ亮Φ闹赶蜃匀皇桥c接觸面上相對滑動的指向相反?;瑒幽Σ亮Φ拇笮‰S相對滑動速度而變,相對滑動速度從零逐漸增大,滑動摩擦力則相應(yīng)地從最大靜摩擦力fmax=μN逐漸減小。通常說滑動摩擦小于靜摩擦,將靜止著的物體推動比較費勁,既以推動之后維持勻速運動則較省力,就是指此而言。但相對滑動速度過分大的時候,滑動摩擦力又急劇增大。我們可以采取控制變量法,通過實驗準確驗證在動摩擦因數(shù)一定時,滑動摩擦力的大小正比于接觸面上的正壓力N。但因為動摩擦因數(shù)較難控制,只粗略驗證了在正壓力一定時,滑動摩擦力與動摩擦力系數(shù)成正比這一結(jié)論。由此,可得出公式:fK=μN,其中μ稱為滑動摩擦因數(shù),它取決于接觸面的材料與接觸面的表面狀態(tài)及相對滑動速度(如圖所示)等。
在一些特殊情況下(例如材料的硬度保持一定,接觸面經(jīng)過一定加工等等),滑動摩擦
力幾乎不隨運動速度而變,并且差不多就等于最大靜摩擦力,即μ=常數(shù)≈μS 當外力等于動摩擦力時,物體受力還是平衡的,要使物體運動,就必須增大外力。
二、濕摩擦力
物體相對于液體或氣體(稱為流體)而運動時,沿著接觸面上也有阻止相對滑動的摩擦力,這種摩擦力稱為濕摩擦。物體浸沒于液體或氣體中,運動時除了受到濕摩擦力外,同時還有另一種效應(yīng),即在接觸面上,物體受到液體或氣體的壓力,這壓力的指向垂直于接觸面,而且迎面所受壓力大于背面所受壓力,因而物體所受壓力的總效果也是阻止物體的相對運動。由此而引起的阻力稱為介質(zhì)阻力,并且一般來說,介質(zhì)阻力遠遠大于濕摩擦力。介質(zhì)阻力和濕摩擦力的本質(zhì)完全不同,但在物體相對于液體或氣體的運動中,它們起著同樣的作用。一般就將介質(zhì)阻力歸到濕摩擦力中,不去追究它們的本質(zhì)。濕摩擦力不同于干摩擦力,沒有相對運動也就沒有濕摩擦力。所以對于濕摩擦現(xiàn)象,談不上靜摩擦力。既然不存在靜摩擦,不論多小的力都能推動物體使其在液體或氣體中運動。在干摩擦的情況下,小于最大靜摩擦力的力根本不能推動物體。可以用竹竿撐船使船前進,卻從來沒看見過用竹竿撐汽車使汽車前進,就是這個道理。
一旦發(fā)生相對運動,濕摩擦力也隨之出現(xiàn)。濕摩擦力的指向自然與物體相對運動速度指向相反。至于濕摩擦力的大小則隨著相對運動的加快而增大。當相對運動比較慢的時候,濕摩擦力的大小大致與速度成正比;當相對運動比較快的時候,濕摩擦力大致與速度的平方成正比。
物體浸于液體或氣體中,如以一定大小的力去推物體,由于不存在靜摩擦,物體將逐漸動起來。物體一開始運動,濕摩擦力也就出現(xiàn)。起初,濕摩擦力比較小,還小于所加推力,物體仍然繼續(xù)加速。物體速度加快,濕摩擦力隨之而增大。最后,物體達到某個速度,其相應(yīng)的濕摩擦力與所加推動力相等,物體保持這一速度而作勻速運動,這一速度稱為極限速度。如物體的初速度超過極限速度,則濕摩擦力大于所加推動力,運動變慢,最后也是達到極限速度而作勻速運動。極限速度的大小顯然與所加推動力的大小有關(guān)。在力學中濕摩擦力一般不去分析與研究,主要考慮的是干摩擦力。
三、摩擦力帶來的影響
推桌子時,如果沒有推動,則桌子有一個向右的運動趨勢,同時桌子會受到一個向左的靜摩擦力的作用,阻礙它的這種運動趨勢,使桌子處于相對靜止狀態(tài)。傳遞帶把貨物往上運的過程中,如果沒有摩擦,則貨物要沿斜面下滑,所以物體有沿斜面下滑的趨勢,所以傳送帶給了貨物一個沿斜面向上的靜摩擦力的作用,以阻礙貨物向下滑的運動趨勢。
假如沒有摩擦力,我們就不能走路了。因為既站不穩(wěn),也無法行走。比如在冰上步行,由于冰滑,走不多遠就累得滿頭大汗。如果沒有摩擦力的話,道路比冰還滑,那時人們只有伏倒在地上才會覺得好受些。假如沒有摩擦力,螺釘就不能旋緊,釘在墻上的釘子就會自動松開而落下來。根據(jù)萬有引力定律得知,一切物體就會在萬有引力的作用下,全部聚集在了一起。家里的桌子,椅子都要聚在一起。給一點推力就都會散開來,并且會在地上滑過來,滑過去,根本無法使用。。。
如果沒有摩擦和介質(zhì)阻力,物體只發(fā)生動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化時, 機械能的總量保持不變。這就是摩擦力帶來的影響??傊?,影響摩擦力大小的因素是固定的,較少的,但其表現(xiàn)形式卻十分多樣化、復雜化、只有充分了解、控制這些因素,才能充分利用有益摩擦,避免有害摩擦,最大程度地改進生產(chǎn),改善生活。
四、高端物 理學 中對摩擦力的產(chǎn)生的解釋
至到今天,人們對摩擦力的本質(zhì)認識得不是十分清楚。最早對摩擦進行實驗研究的代表性人物是文藝復興時期的達·芬奇。他對表面光滑程度不同的物質(zhì)的摩擦作了比較,提出物體間的摩擦程度取決于物體表面粗糙程度的大小,表面愈粗糙,摩擦力愈大,即固體表面的凹凸程度是產(chǎn)生摩擦的根本原因。這一想法后來逐步被 發(fā)展 為一種學說——凹凸說。該學說認為:物體表面無論經(jīng)過何種加工,都必然留下或大或小的凹凸,這種表面凹凸不平的物體相互接觸,就必然產(chǎn)生摩擦。有人對此做過這樣一個比喻:固體表面的接觸,猶如把一列山脈翻過來蓋在另一列山脈上一樣。由于它們的相互咬合,所以只有把凸部破壞掉,才能使之滑動,這便是產(chǎn)生阻礙相對運動的摩擦力的基本原理。這種學說在很長一段時間里,受到許多人的支持。
對于摩擦力的另外一種看法是分子說。這是由英國的物理學家德薩古利埃提出的。他認為,摩擦力產(chǎn)生的原因是摩擦面上的分子力相互交錯所致。該學說指出,物體表面愈是光滑,摩擦面愈是相互接近,表面分子力就愈大,這樣摩擦力也就愈大。但是這種學說由于加工技術(shù)上的原因,一直沒有得到實驗的證實,因而入們對此很難接受。
進入20世紀以后,分子說逐漸得到很多人的支持。一個叫尤因的人首先指出因摩擦引起的能量損失,是因固體表面分子引力場的相互干涉所致,與凹凸程度無關(guān)。而另一名著名的學者哈迪,他進行了大量的實驗,從而證明了分子說的正確性。他首先把兩個物體表面研磨得極光滑,然后來做摩擦實驗,結(jié)果發(fā)現(xiàn),兩物體磨得越光滑,它們之間的摩擦力就越少,但是這種光滑水平達到一定程度時,摩擦力反而有所增加,甚至兩個光滑的金屬面能“粘”在一起。而這正好證實了分子說的觀點:當兩個表面的分子互相進入彼此的分子間的引力圈時,兩者間就能產(chǎn)生強烈的粘合作用,并以摩擦力的形式顯示出來。哈迪的實驗為分子說提供了有力的證據(jù),分子說因而獲得了廣泛的承認,并被進一步發(fā)展為“粘合說”。但是,凹凸說并沒有因分子說和粘合說的進展而被完全廢棄,它與對立的分子說和粘合說都持之有據(jù),言之有理。有人在這兩者的基礎(chǔ)上提出了包含凹凸說內(nèi)容的綜合性的 現(xiàn)代 粘合論。
(一)凹凸嚙合說
從15世紀至18世紀, 科學 家們提出的一種關(guān)于摩擦本質(zhì)的理論,嚙合說認為摩擦是由于互相接觸的物體表面粗糙不平產(chǎn)生的。兩個物體接觸擠壓時,接觸面上很多凹凸部分就相互嚙合。如果一個物體沿接觸面滑動,兩個接觸面的凸起部分相碰撞,產(chǎn)生斷裂、摩損,就形成了對運動的阻礙。
(二)粘附說
這是繼凹凸嚙合說之后的一種關(guān)于摩擦本質(zhì)的理論。最早由英國學者德薩左利厄斯于1734年提出,他認為兩個表面拋得很光的金屬,摩擦會增大,可以用兩個物體的表面充分接觸時它們的分子引力將增大來解釋。
上世紀以來,隨著 工業(yè) 和技術(shù)的發(fā)展,對摩擦理論的研究進一步深入,到上世紀中期,誕生了新的摩擦粘附論。
新的摩擦粘附論認為,兩個互相接觸的表面,無論做得多么光滑,從原子尺度看還是粗糙的,有許多微小的凸起,把這樣的兩個表面放在一起,微凸起的頂部發(fā)生接觸,微凸起之外的部分接觸面間有10-8 m或更大的間隙。這樣,接觸的微凸起的頂部承受了接觸面上的法向壓力。如果這個壓力很小,微凸起的頂部發(fā)生彈性形變;如果法向壓力較大,超過某一數(shù)值(每個凸起上約千分之幾牛頓),超過材料的彈性限度,微凸起的頂部便發(fā)生塑性形變,被壓成平頂,這時互相接觸的兩個物體之間距離變小到分子(原子)引力發(fā)生作用的范圍,于是,兩個緊壓著的接觸面上產(chǎn)生了原子性粘合。這時要使兩個彼比接觸的表面發(fā)生相對滑動,必須對其中的一個表面施加一個切向力,來克服分子(原子)間的引力,剪斷實際接觸區(qū)生成的接點,這就產(chǎn)生了摩擦。在現(xiàn)代摩擦理論中,還加進了靜電作用。光滑表面摩擦過程中可能帶上異號電荷,它們之間的靜電作用,也是摩擦力的一個原因。
綜上所述,摩擦現(xiàn)象的機理是復雜的,是必須在分子尺度內(nèi)才能加以說明的。由于分子力的電磁本性,摩擦力說到底也是由于電磁相互作用引起的。
上述理論,已經(jīng)否定了“物體表面越光滑,摩擦力越小”的說法。在非常平滑的物體表面之間,摩擦力是存在的。在教學中經(jīng)常使用“表面光滑”,其含義是指無摩擦或摩擦因數(shù)等于零的表面,即沒有摩擦力。這是教學中的一種約定,而并非真的是說兩個表面光滑。在平玻璃板上推木塊很容易,而在平玻璃板上推與木塊相同質(zhì)量的玻璃時就不容易了,這說明摩擦力增大了。
【 參考 文獻 】
[1]徐行.力學[M].內(nèi)蒙古人民出版社,1993.
[2]梁昆淼.力學(上冊)[M].高等 教育 出版社,1998.
[3]李迺伯.物理學[M].高等教育出版社,1999.
[4]李椿,夏學江.大學物理[M].高等教育出版社,1998.
關(guān)于摩擦力科學論文篇二
靜摩擦力淺議
摘 要:當兩個互相接觸并處于相對靜止的物體間存在相對運動趨勢時,就有靜摩擦力產(chǎn)生。靜摩擦力的方向與相對運動趨勢方向相反,與接觸面相切,最大靜摩擦力跟物體接觸面間的正壓力成正比。
關(guān)鍵詞:靜摩擦力;最大靜摩擦力;平衡狀態(tài)。
在教學過程中,經(jīng)常發(fā)現(xiàn)不少學生分析靜摩擦力時,時常會出現(xiàn)錯誤的判斷,究其原因,在于這些學生沒有真正理解靜摩擦力產(chǎn)生的條件及其特點。當兩個互相接觸并處于相對靜止的物體間存在相對運動趨勢時,就有靜摩擦力產(chǎn)生。靜摩擦力的方向與相對運動趨勢方向相反,與接觸面相切。為了幫助學生正確處理有關(guān)靜摩擦力的問題,現(xiàn)介紹以下兩種方法。
1、根據(jù)靜摩擦力產(chǎn)生的條件分析
產(chǎn)生靜摩擦力的充要條件是:
?、?兩物體接觸;
?、?兩物體互相有壓力;
?、劢佑|面不光滑;
④兩物體間有相對運動趨勢。
其中前三個條件比較容易判斷。但兩接觸物體間有無相對運動趨勢成為判斷靜摩擦力的依據(jù)。"相對運動趨勢"必須是彼此接觸的兩個物體互為參照物,而不是以兩個物體之外的物體為參照物。通??捎眉僭O(shè)法:先假設(shè)接觸面是光滑的,看被研究的物體相對于接觸面是否運動,向何方運動,即為運動趨勢方向若運動則有靜摩擦力,其方向與相對運動方向相反;不運動則無靜摩擦力。
再例如:試判斷自行車后輪在滾動時受到的靜摩擦力的方向。
分析:先假設(shè)自行車后輪與地面沒有摩擦力,可以明顯看到后輪與地面的接觸點相對與地面是向后運動的,則說明后輪相對于地面有向后運動的趨勢,所以后輪受到地面的靜摩擦力是向前的?! ?、根據(jù)物體運動狀態(tài)分析
①根據(jù)物體的平衡條件來分析靜摩擦力。
當物體處于平衡狀態(tài)時,可根據(jù)平衡條件ΣF = 0來分析靜摩擦力。
例如:如圖所示,一木塊放在水平桌面上處于靜止狀態(tài),木塊在水平方向上受到F1和F2的作用力,其中F1=10N,F(xiàn)2=6N,求木塊受到的靜摩擦力的大小。
(注:上圖左邊直線上方標注F1,左邊直線上方標注F2)
分析:由于木塊處于靜止狀態(tài),因此木塊在水平方向上合力為0,即水平向左的力等于水平向右的力,即F2 +f = F1, 計算可得靜摩擦力等于4N。
?、?根據(jù)牛頓第二定律來分析靜摩擦力。
如果物體處于非平衡狀態(tài),可以根據(jù)牛頓第二定律來分析靜摩擦力。
例如:物體A放在水平放置的圓盤B上,隨B一起作勻速轉(zhuǎn)動,試分析物體A受到的靜摩擦力的方向。
分析:物體A在豎直方向上受重力G和盤對它的支持力N的平衡,而A在水平面內(nèi)作勻速圓周運動,A作勻速圓周運動所需的合力(向心力),只有靠圓盤B對物體A的靜摩擦力來提供,由于向心力的方向是沿半徑指向圓心的,所以,靜摩擦力的方向也是沿著半徑指向圓心的。
3、靜摩擦力的大?。河幂^小的力推桌子,桌子沒動,根據(jù)二力平衡條件,靜摩擦力與較小的推力相等;用較大的力來推,若仍然不動,靜摩擦力與較大的推力相等,所以靜摩擦力是隨著物體所受外力的大小而變化的,它的作用就是阻礙物體間發(fā)生相對運動。不過,靜摩擦力并不能無限度的增加,當我們逐漸增加推桌子的力,桌子終究會動起來,在從靜到動的一剎那,靜摩擦力不能增加了,它達到了最大值,這個最大值叫最大靜摩擦力。實驗表明:最大靜摩擦力跟物體接觸面間的正壓力成正比。
理解靜摩擦力的含義需注意以下幾點:
1)靜摩擦力不是一個不變的力,它隨著外力的增大而增大。
2)用公式算出的是最大靜摩擦力,不一定是實際摩擦力。例如:用手握一個瓶子,為什么瓶子越重手握得越緊?
分析:當手把瓶子握住時,瓶子在豎直方向受到了兩個力的作用,向下的重力G 及向上的靜摩擦力F,由于處于平衡狀態(tài),所以G=F,瓶子越重,要把瓶子握住,需要的實際摩擦力越大,由于靜摩擦力不會超過最大靜摩擦力F。所以當瓶子較重時,瓶子與手之間必須有較大的最大靜摩擦力,才能保證實際靜摩擦力不超過它。手把瓶子握得緊,手與瓶子之間的正壓力越大,最大靜摩擦力也越大,但當最大靜摩擦力增加時,實際靜摩擦力并不一定增大,因此,當瓶子平衡時,它所受到的靜摩擦力F總是等于物體的重量G。由本題可見,最大靜摩擦力和靜摩擦力是兩個不同的概念。
4、教師在講授靜摩擦力這一問題時,需要注意的問題有:要向?qū)W生提出"以課本為主,課前要預(yù)習,要學會讀書"的 要求,向?qū)W生指出靜摩擦力的定義和特點,這些定義和 規(guī)律是什么意思?在日常生活生產(chǎn)實踐中,有哪些實例?可以在黑板上列出如下提綱:什么叫靜摩擦力?是否兩個物體接觸就一定產(chǎn)生靜摩擦力?靜摩擦力和哪些因素有關(guān)?通過預(yù)習提綱引導學生邊閱讀邊思考。幫助他們有的放矢的進行閱讀教材。
另外,可以通過實驗更好的幫助學生理解靜摩擦力,同時通過實驗還可以增加趣味性。
總之,在教學過程中分析靜摩擦力時只要采用正確的方法,就會避免錯誤的判斷,對于學生真正理解靜摩擦力產(chǎn)生的條件及其特點有重要意義。
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